Основы тяговых расчетов строительно-дорожных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Пневмоколесный ход

Пневмоколесное ходовое оборудование обеспечивает машинам маневренность, мобильность, высокие скорости (до 60...70 км/ч) и плавность передвижения.

Пневмоколесный движитель состоит из ведомых и ведущих (приводных) колес, вращательное движение которых преобразуется в поступательное движение машины. Колеса с пневматическими шинами выполняют следующие функции: поддерживающего устройства, передающего нагрузки на основание; управляющего элемента, изменяющего направление движения машины; упругой подвески, обеспечивающей плавность хода машины.

У большинства строительных машин все колеса -- ведущие. Количество колес зависит от допускаемой на каждое колесо нагрузки, условий и режимов работы машины, требуемых скоростей ее движения. Ходовые устройства строительных машин имеют обычно от 4 до 8 одинаковых взаимозаменяемых колес. Основным элементом каждого пневмоколеса является накачанная воздухом упругая резиновая шина, смонтированная на ободе.

Шины могут быть камерными и бескамерными (срок службы бескамерных на 20ч25% выше благодаря повышенной прочности и лучшему теплообмену через обод колеса) (рис. 1). Покрышка 2 и обод 4, протектор 1.

Для повышения проходимости машин, работающих и передвигающихся по грунтам с пониженной несущей способностью, применяют шины с большой опорной поверхностью -- широкопрофильные и арочные (рис. 1 б).

Различают шины по давлению: низкого (0,15ч0,25 МПа), сверхнизкого (0,05ч0,08 МПа), реже среднего (0,3ч0,4 МПа) и очень редко высокого (0,5ч0,7 МПа) с различным рисунком протектора.



Рис. 1 Типы шин

На пневмоколеса опираются приводные (ведущие) и неприводные мосты, соединяемые с рамой машины жесткой, балансирной или упругой подвеской. Общее количество мостов обычно не превышает трех. Наиболее нагруженные мосты имеют сдвоенные пневмоколеса. Направление движения машины меняется путем поворота управляемых колес, поворотом мостов с колесами в плане, обеспечением различной скорости движения правых и левых колес и т.п.

Привод ведущих колес может быть общим от механической трансмиссии машины, от самостоятельного ходового электродвигателя или низкомоментного гидромотора через систему передач и валов, а также индивидуальным от приводных ступичных блоков, встроенных в ступицу каждого колеса (мотор-колеса) и включающих электродвигатель или гидромотор, планетарный редуктор и тормоз. Скорость машины с мотор-колесами можно плавно регулировать в широком диапазоне в зависимости от дорожных условий и действующих на нее нагрузок. Каждое мотор-колесо может быть поворотным, за счет чего улучшается маневренность машины. Для разгрузки ходовых устройств строительных экскаваторов, стреловых самоходных кранов, бурильных и других машин при работе применяют выносные опоры-аутригеры. Масса пневмоколесных ходовых устройств составляет 10...12% общей массы машины.

Достоинства пневмоколесного ходового оборудования: высокие транспортные скорости, возможность перемещения по дорогам с различным покрытием, широкое использование унифицированных сборочных единиц и агрегатов, регулирование давления на основание путем изменения давления воздуха в шинах, меньшая масса по сравнению с гусеничным ходом (на 25ч35%), больший ресурс работы и более высокий КПД.

Недостатки пневмоколесного ходового оборудования: высокое давление на грунт из-за малой площади контакта, ограниченность проходимости, грузоподъемности и преодолеваемого уклона, сравнительно малый коэффициент сцепления колес с основанием.

Пневмоколесный ход преобразует вращающий момент в силу тяги машины в результате взаимодействия шины с поверхностью качения.

Для пневмоколесного ходового оборудования характеризующим показателем является его колесная формула: первая цифра -- общее число всех колес, вторая цифра - число приводных колес.

Наибольшее распространение имеют колесный ход с формулой 4Ч2, вездеходные машины -- 4Ч4, реже применяют трехосные -- 6Ч4 или 6Ч6.

Рис. 2 Принципиальные схемы трансмиссий пневмоколесных машин: а -- без дифференциала; б -- с дифференциалом; в -- с мотор-колесами; Д -- двигатель; А, Б и В -- дифференциалы; Г -- генератор; Ж -- двигатели мотор-колес; Т -- тяговое усилие

В конструкциях, выполненных по третьей схеме, может быть использован только индивидуальный электропривод или индивидуальный гидропривод на каждом колесе, и следовательно, индивидуальная трансмиссия для каждого колеса, т. е. мотор-колеса.

В машинах с мотор-колесами механическая связь между колесами отсутствует, ввиду чего каждое колесо может иметь оптимальные тяговые и кинематические параметры, что должно быть реализовано характеристиками двигателей и соответствующей системой управления приводом.

Мотор-колеса могут быть выполнены как с размещением двигателя и редуктора внутри колеса (собственно мотор-колесо), так и с размещением их вне колеса.

К недостаткам пневмоколесного ходового оборудования относится при обычных шинах большое давление на грунт и сравнительно малый коэффициент сцепления колес с грунтом. Эти недостатки существенно устраняются при применении шин большого диаметра и уширенного профиля; поэтому пневмоколесный ход получает все большее распространение.

2.Шагающий ход

Шагающее ходовое оборудование (рис. 3) обеспечивает возможность создания очень малых давлений на грунт -- до 0,025 МПа. Оно Применяется на машинах значительной массы главным образом в экскаваторах с рабочим оборудованием драглайна вместимостью более 15 м³, предназначенных для работы в грунтах с самой слабой несущей способностью, т. е. в условиях, где гусеничные экскаваторы не применимы.

Шагающий ход по сравнению с гусеничным значительно проще в производстве и эксплуатации, требует минимальной подготовки пути. Он Характеризуется также малой относительной массой (до 12ч15% от массы машины, гусенич. ход - 30ч40% от массы машины) и обеспечивает высокую маневренность (возм. изменен. направл. движ.), не требуя специального пространства для изменения направления движения машины. Для этого Поворотная часть машины разворачивается на месте на определенный угол.

Механизм шагания может быть гидравлическим или механическим (кривошипно-эксцентриковым).

Шагающий ход представляет собой металлоконструкцию в виде коробчатых плит (лыж), которые перемещаются при помощи кривошипно-шатунных механизмов или специальных гидравлических домкратов.

Длина одного шага машины 1,5ч2,3 м, скорость передвижения 0,05ч0,3 км/ч, преодолеваемый уклон 7ч15°, продолжительность шага 0,5ч0,6 мин.

Экскаваторы, оборудованные шагающим ходом, при работе опираются на круглую нижнюю раму большого диаметра, а при передвижении -- попеременно на нижнюю раму и на опорные лыжи, которые смонтированы на поворотной платформе.

Рис. 3 Гидравлический механизм шагания экскаватора: 1 - нижняя рама экскаватора; 2 - подъемный гидроцилиндр; 3 - вспомогательный гидроцилиндр; 4 - опорный башмак (лыжа)

В процессе работы экскаватора опорные лыжи находятся в приподнятом положении (рис. 4, а), что и обусловливает возможность осуществлять передвижение машины в любом направлении путем простого поворота поворотной платформы.

К недостаткам шагающего хода следует отнести: затруднительность его применения для различных видов рабочего оборудования (кроме драглайна и грейфера), а также недостаточные скорости передвижения, не превышающие 0,6 км/ч, а для машин большой мощности -- 0,08ч0,2 км/ч.

Рис. 4 Схема работы шагающего механизма с гидравлическим приводом: а - рабочее положение; б - опускание лыж на грунт и подъем; в - перемещение экскаватора; 1, 2 - вспомогательные и главные гидроцилиндры; 3 - опорные башмаки

3.Рельсовый ход

Рельсовое ходовое оборудование в СДМ (рис. 5) по технико-эксплуатационным показателям относится к наиболее совершенному виду и используется в машинах с ограниченной маневренностью (более широко для передвижения строительных грузоподъемных машин - башенных и ж/д кранов и др.). Основные достоинства: простота конструкции, высокая точность хода, минимальное сопротивление передвижению, малый износ элементов хода.

Из-за низкой маневренности и малой скорости передвижения в СДМ (рельсовый ход) находит весьма ограниченное применение в 1) многоковшовых цепных карьерных экскаваторах поперечного копания и в 2) специальных машинах, осуществляющих точные отделочные операции (бетоноукладчики, профилировщики и др.). Нагрузки на колесо могут достигать 100ч200 кН (10ч20 т), давление на основание от шпал составляет до 0,2 МПа.



Рис. 5 Рельсовое ходовое оборудование

Сопротивление передвижению машины на рельсовом ходу от сил трения и качения, Н:

, (*)

где m - масса машины, кг;

G = mg - вес машины, Н;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

f - коэффициент сопротивления качению колес по рельсам (плечо трения качения), м (f = 0,05ч0,08 см);

µ - коэффициент трения в цапфах;

d - диаметр цапфы, м;

D - диаметр колеса, м;

в - коэффициент учитывающий трение реборд о рельс, (в = 1,05ч 1,5, в зависимости от колеи рельсового хода, меньшие значения берутся для стандартных размеров железнодорожной колеи: 750 и 1524 мм).

Остальные сопротивления определяют по аналогии с пневмоколесным ходом. Известны комбинированные механизмы передвижения: рельсо-гусеничный и шагающе-рельсовый.

Из-за малой надежности и большой сложности этот (рельсо-гусеничный) ход применяют только на моделях средней мощности многоковшовых цепных и роторных карьерных экскаваторов.

Шагающе-рельсовый ход используют для крупных многоковшовых роторных карьерных экскаваторов, так как он обладает маневренностью шагающего хода. Этот (шагающе-рельсовый) ход имеет два опорно-поворотных устройства, он сложнее двухгусеничных систем, но проще многогусеничных. В сравнении с гусеничным ходовым оборудованием у этого хода меньше давление на грунт, более высокая проходимость и меньшее сопротивление движению. Недостатки: цикличность действия и наличие второго опорно-поворотного устройства.

Многие строительные машины (стреловые краны, строительные экскаваторы, погрузчики и др.) имеют поворотное в плане рабочее оборудование, установленное, как правило, на поворотной платформе. Платформа опирается на раму ходового устройства через опорно-поворотный круг (ОПК) и поворачивается в плане поворотным механизмом. Составными частями ОПК являются (рис. 6, а): наружные подвижные кольца 2 и 3, скрепленные болтами, ролики 7, используемые в качестве тел качения, и внутреннее неподвижное кольцо 5 с зубчатым венцом 6. Кольца 2 и 3 жестко крепятся к поворотной платформе, а кольцо 5 -- к раме ходового устройства. тяговый расчет машина

Рис. 6 Роликовый опорно-поворотный круг

Роликовые ОПК выпускают одно- и двухрядными, с внутренним и наружным зубчатым венцом. В постоянном зацеплении с зубчатым венцом ОПК находится ведущая (обегающая) шестерня поворотного механизма, которая обегает венец, поворачивая платформу. Поворотный механизм располагается на поворотной платформе.

4.Основы тяговых расчетов СДМ

Движение машины на колесном или гусеничном ходу происходит под действием трех сил:

а)сил тяги (Т) сообщающих машине поступательное движение;

б)сил сопротивления (?W_i), возникающих при движении машины и направленных в сторону, противоположную движению;

в)тормозных сил, т.е. дополнительных сил сопротивления, прилагаемых только при необходимости уменьшения скорости движения.

В тяговых расчетах различают два вида сил тяги:

Тяговое усилие двигателя Р_д - преобразованное через трансмиссию в касательную силу тяги приложенную соответственно к ободу колеса или к гусеницам машины;

Сила тяги на крюке Т_кр, которая являются полезной силой и может быть использована для перемещения прицепных транспортных средств:

Т_кр = Р_д - ?W_i кН.

Чтобы машина могла равномерно двигаться, необходимы два условия:

1)наибольшее тяговое усилие по мощности двигателя (Р_д) должно быть больше или равно сумме всех сопротивлений (?W_i), возникающих при движении машины (на рис. 5 эта сила обозначена как S_т = Р_д):

Р_д ? ?W_i. (1*)

2)наименьшая сила тяги по сцеплению Т_{сц. min} движителя машины с дорогой должна быть больше или равна максимальной силе тяги Р_д привода машины:

Т_{сц. min} ? Р_д. (2*)

Выполнение этих условий гарантирует достаточность сцепления приводных ходовых колес или гусениц с дорогой (т.е. нормальное движение СДМ без буксования). Тогда общее условие передвижения машины:

Т_сц ? Р_д ? ?W_i. (3*)

Здесь:

1.Т_сц - сила сцепления реализуется за счет трения движителя о дорогу (грунт), т.е. за счет применения шпор на гусеницах и выступов протектора пневмошин, врезающихся в грунт.

Обычно силу сцепления рассматривают как часть силы тяжести машины G = mg (движение по горизонтали) или ее составляющей G?cos б (движение по уклону) (рис. 7).

Сила тяги по сцеплению движителя с грунтом равна:

Т_сц.min = ц_сц?G?cos б, (4*)

где ц_сц - коэффициент сцепления ходового оборудования машины с дорогой, (табл.);

б - угол наклона поверхности движения (дороги) к горизонту, град.

В тяговых расчетах скреперов и транспортных машин учитывается сила тяжести не только машины, но и грунта в машине (т. е. вместо G подставляется G + G_rp).

2.Р_д - тяговое усилие по мощности двигателя:

Р_Д = 1000Nз/v Н, (5*)

где N - мощность двигателя, кВт;

v - скорость движения машины, м/с;

з - КПД трасмиссии (передачи между двигателем и ведущими колесами, для автомобилей и тракторов з = 0,85ч0,95).

Рис. 7 Схема расчета тяговых усилий: а - гусеничного хода; б - колесного хода; (r - радиус качения колеса или звездочки; l - база машины; ц - коэффициент сцепления; S_т - сила тяги трактора; Р_тaх - максимальное давление на грунт)

Движущую силу (максимальная окружная сила на шинах (гусеницах) ведущих колес (звездочек)) привода (двигателя) (Р_д) ходового механизма машины (движителя) можно выразить через крутящий момент на выходном валу двигателя, Н:

Р_Д = Н, (6*)

где Мдв - крутящий момент на выходном валу двигателя, Н•м;

uм - передаточное число трансмиссии привода;

з_М - механический КПД трансмиссии (силовой передачи);

D - диаметр ведущей звездочки (колеса) на движителе, м .

Вращающий момент на валу двигателя привода, Н·м:

М_дв = ?W_i·D/(2u_мз_м), (7*)



где D - диаметр начальной (наружной - для пневмоколесных машин) окружности ведущего колеса (звездочки) ходового оборудования, м; (для гусеничных машин: D = t/sin (180°/z); t - шаг гусеничной ленты, м; z - число зубьев ведущей звездочки); uм - передаточное число трансмиссии привода.

3.Суммарное сопротивление (?W_i) (в общем случае для всех СДМ) возникающее при движении землеройной машины в тяговом и транспортном режимах, преодолевается движущей (окружной) силой движителя (Р_д). Для тягового режима уравнение силового баланса имеет вид:

РД = ?W_i = W₁+W₂ + W₃ ±W₄+W₅+W₆+W₇, (8*)

где W₁ - сила сопротивления движению машины от внутреннего трения в ходовых механизмах, Н:

Обобщенно Внутреннее сопротивление ходового механизма (W₁) составляет 6ч9% силы тяжести гусеничной машины и 4ч6% силы тяжести колесной машины - (т.е. G).

Более точно величина сила сопротивления в ходовых механизмах (W₁) для гусеничных машин рассчитывается по соответствующим формулам, при известных значениях диаметров пальцев, катков, колес и их осей, а также ряда других параметров.

W₂ - сопротивление движению машины от сил инерции при разгоне (трогании с места), Н:

W₂ = k_и·m?v₁/t_p, (9*)

где k_и - коэффициент учитывающий инерцию вращающихся масс механизмов привода движителя (для гусеничных машин k_и = 1,0ч1,1, для колесных машин k_и = 1,2ч1,5);

m - масса машины с рабочим оборудованием, кг;

v₁ - скорость разгона (на первой передаче) или торможения машины, м/с;

t_p - время разгона (t_p = 3ч6 с для гусеничных машин и t_p = 5ч10 с - для колесных).

W₃ - сила сопротивления движению машины по основанию (по грунту или дороге) от качения колес или гусениц (по прямолинейной траектории), Н:

W₃ = mg·щ_м?cos б, (10*)

где щ_м - коэффициент сопротивления качению колес или гусениц, (табл. 11);

б - угол наклона поверхности движения к горизонту, град.

W₄ - сила сопротивления движению машины по уклону (подъем или спуск пути), Н:

W₄ = ± mg·sin б, (11*)

где б - угол подъема пути, град., (для гусеничных машин б = 7ч10^о при m ? 50 т; б = 10ч25^о при m ? 50 т; для колесных машин б = 15ч20^о; для рельсо-колесных б = 5ч7^о);

g - ускорение свободного падения, м/с².

W₅ - сила сопротивления движению машины на повороте (по кривой), Н:

Т.к. сопротивление наибольшему подъему W₄ всегда больше > максимального сопротивления при движении по кривой W₅, поэтому в расчет обычно вводится только сопротивление подъему (т.е. W₄). Более того, в тяговом режиме при агрегатировании с рабочими органами машин в процессе взаимодействия с внешней средой (например, копание грунта) повороты запрещены, поэтому W₅ = 0.

W₆ - сила сопротивления движению машины от ветрового напора, Н:

-для машины в рабочем режиме W₆ = 0.

-в транспортном режиме при скорости свыше 18 км/ч, Н:

W₆ = k_оптг_вSv², (12*)

где k_опт - коэффициент обтекаемости, Н·с²/(кг·м); k_опт = 0,6ч0,7 Н·с²/(кг·м);

г_в - плотность воздуха, кг/м³; г_в = 1 кг/м³;

S - площадь лобового сопротивления (макс. ширина умн. на высоту маш.), м²;

v - скорость машины, м/с.

Для гусеничных машин, ввиду малых скоростей движения, сопротивление W₆ не учитывается.

W₇ - сила сопротивления движению машины возникающая на ее рабочих органах при разработке (копании) грунта, Н:

Сопротивление грунта копанию резанию отвалом или ковшом, Н:

W₇ = К_рез·L·h_c, (13*)

где k_рез - коэффициент удельного сопротивления грунта резанию, Па (табл.);

L - длина режущей кромки рабочего органа, м;

h_c - толщина срезаемой стружки, м.

В транспортном режиме W₇ = 0.

Мощность, потребная для передвижения машины, кВт:

N = (1,3ч1,5)?W_iv₁/(1000з), (14*)

где ?W_i - в Н;

v₁ - скорость машины, м/с (при движении на подъем v₁ = (0,25ч0,50)v; v - расчетная (паспортная) скорость машины, м/с).

з - КПД привода ходового механизма; (з = 0,75ч0,85).

Размещено на Allbest.ru

...